成果報告書詳細
管理番号20120000000231
タイトル*平成23年度中間年報 グリーンセンサ・ネットワークシステム技術開発プロジェクト
公開日2012/6/1
報告書年度2011 - 2011
委託先名技術研究組合NMEMS技術研究機構
プロジェクト番号P11006
部署名技術開発推進部
和文要約1. 共同研究の内容及び成果等 研究開発項目 グリーンMEMSセンサの開発
(1)電流・磁界センサ
磁界検出感度を実現する材料・構造の絞りこみを行い、MI方式と比べて、MRを優先的に開発を進めた。実現性検討と供給メーカとの折衝で計画より余分に約1ケ月要したが、MR方式で実現の見込みが得られた。検討中の磁界検出感度を実現する材料・構造について、試作・生産まで対応できる見込みを得た。
(2)塵埃センサ
低消費電力な塵埃センサを実現するための基本構造を検討した。トリガーは圧電体を利用したトリガーセンサとその出力をトリガーとして、塵埃センサを動作させるための回路で構成される。圧電体を利用したトリガーセンサの主要パーツである圧電微差圧センサの出力計算を行った。20Paの圧力差で約0.15Vの出力が得られることが明らかになった。また、計算結果の妥当性を検証するためTEGの作製を開始した。
トリガーセンサの性能評価を行う圧力可変チャンバーを含んだ実験系の設計および低消費電力化のキーとなるトリガーセンサの基本設計及び構造設計を実施し、さらにプロセス設計およびトリガーセンサの試作を行った。
(3)CO2濃度センサ
CO2濃度センサのキャラクタリゼーションを行なうための, CO2濃度制御装置および特性評価装置を導入した。再委託先である東京大学と連携し, イオン液体のCO2吸着メカニズムの原理確認を行なった。基礎実験において, イニシャル(大気下)で-3?3Vの範囲でDCバイアスで抵抗変化が最大で約9倍の差を得、インピーダンス変化によるCO2濃度検出の可能性を見出した。
(4)VOC濃度センサ
素子構造の設計手法を確立するため、ポリマーベース振動式センサの性能指数の実験検証を目的としたTEG試作を実施し、寸法・振動モードに対応した性能指数(共振周波数・Q値)の実験値を得た。素子構造の製造工程を確立するため、基材ポリマー(PMMA)と駆動検出用圧電ポリマー(PVDF)の貼り合わせ工程検証・パターン形成方法検証を目的としたTEG試作を実施し、接着剤および接着シートによる貼り合わせ工程とレーザーカットによるパターン形成方法を確立した。消費電力100μW以下を実現する駆動・検出機構の検証に着手した。
(5)赤外線アレーセンサ
サーモパイル赤外線センサ素子における、キャビティ真空度とセンサ感度・時定数の関係を解析により把握し、10fpsを実現するための設計検証用センサチップを試作した。要素技術である真空封止技術に関しては、プロセス条件出し用のデバックを実施した。その結果を元に、8インチのウェハレベルで真空封止を実現した。また、真空封止後のキャビティ内部のガス分析を行い、センサ素子を高真空封止するための課題を把握することができた。更に、高精度に赤外線センサモジュールの評価を行うため、赤外線センサ評価システムを導入した。
英文要約Titel: Green sensor network system technology development project (FY2011-FY2014)
FY2011 Annual Report
This project has been engaged in the development of green MEMS sensors, including
electric current/magnetic field sensors, dust sensors, CO2 sensors, VOC sensors, and
infrared array sensors. By refining the materials and construction to achieve an electric
current/magnetic field sensor having the targeted pT-order sensitivity, we found promise
in implementing such sensors using the magnetoresistance effect. For the dust sensors, we
simulated output of a low differential pressure sensor using piezoelectric material and
discovered that an output of approximately 0.15 V could be obtained for a difference in
pressure of 20 Pa. For the CO2 sensors, we discovered through basic experiments that
resistance changed a maximum of about nine-fold under atmospheric condition for a DC
bias within the range between -3 and +3V, indicating a potential for detecting CO2 concentration in
response to changes in impedance. For the VOC sensors, we fabricated a prototype TEG
of polymer-based vibration sensors with the aim of verifying their figure of merit
(resonant frequency and Q factor), obtaining experimental results correlating to their
dimensions and vibration modes. To gain a better understanding of infrared sensor arrays,
we analyzed the relationship between the degree of vacuum in the cavity of a thermopile
sensor element and the sensitivity and time constant of the sensor. We developed a
prototype sensor to verify a design capable of operating at 10 fps.
In our efforts to develop green sensor terminals equipped with a wireless communication
function and a standalone power source, we developed an ultra-small standalone power
source having a nanofiber structure and capable of high efficiency
photoelectric/thermoelectric conversion, a technology for integrating green sensor terminal
functions, and a technology for low-power wireless communications.
In the development of a standalone nanofiber power source, we succeeded in producing
nanofibers to be used in the active layer of an organic thin-film photovoltaic cell by
electrospinning a p-type organic semiconducting polymer, and confirmed that the
nanofibers could drive an organic thin-film photovoltaic cell. We also fabricated
photoelectric conversion devices using a 2cmx5cm flexible substrate and confirmed that the
converter outputted 27 μW under indoor ambient lighting of 300 lux.
As a technology for integrating green sensor terminal functions, we completed a study on
the configuration of an energy management circuit and the configuration and design of a
low-power analog front-end circuit aimed at reducing power consumption in the terminal
system, and defined specifications of a prototype LSI to be used for verifying the
functions of these circuits. For a low-power wireless communication technology, we
developed a new communication protocol that allows ID-less messages to be sent among
more than 1,000 terminals using frequency shift keying (FSK) and a bit rate of 3.125-
12.5 kbps. We also determined the FFT specifications required for obtaining a receiving
sensitivity of -130 dBm based on the relationship between the ratio of the FFT frequency
to the transfer bit rate of the message (oversampling ratio) and the receiving probability
and message length.
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